Gas Geochemistry and Isotopic Signatures in the deep Thermal waters in Jordan

In der vorliegenden Arbeit wurden die Hydrochemie und die Isotopensignale von Thermalwässern entlang der östlichen Seite des Dead Sea Transform (DST) in Jordanien untersucht. Die Hauptziele dieser Untersuchungen waren: die Bestimmung der Herkunft und der mittleren Verweilzeiten von Thermalwässern entlang des DST, die Bestimmung der Tiefe und Art der Grundwasserzirkulation im DST und die Ermittlung der möglichen Quelle für chemische und gasförmige Bestandteile sowie anderer Parameter. Das Untersuchungsgebiet beinhaltet geologische Formationen seit dem späten Proterozoikum bis heute. Die Thermalwässer stehen mit zwei Aquiferen in Verbindung: der Kalksteinaquifer aus der Oberen Kreide (B2/A7) und der darunterliegende Sandsteinaquifer (Zarqa und Kurnub). Eine neue Probenahmemethode zur Fixierung der natürlichen Gase H2S, CO2 und CH4 wurde entwickelt und im Feld gestestet. Zwei Probenahmekampagnen fanden zur Beprobung von Thermalquellen und Brunnen statt. An diesen Proben wurden die Hauptinhalstoffe, Spurenelemente incl. seltene Erden Elemente (SEE) und die folgenden Isotopie bestimmt: 3H, δ18OWasser, δDWasser, δ34SSulfat and δ18OSulfat δ13CCO2, Helium und Neon. Die Wassertypen in den einzelnen Aquiferen wurden mit Hilfe chemischer Kriterien bestimmt und anschließend mit den Lokalitäten und der Salinität am Standort abgeglichen. Statistische Auswertung mittels Clusteranalyse, Kruskal-Wallis und Mann-Whitney Test ergaben eine Klassifikation der Thermalwässer in zwei Gruppen (A und B). Gruppe A besteht aus zwei Untergruppen: A1 and A2. Gruppe A1 beinhaltet Süßwasserbrunnen und Quellen, die die niedrigste Salinität der untersuchten Thermalwässer aufweisen. Diese bestehen wiederum aus zwei Untergruppen: A1a beschreibt Thermalwässer im Kontakt mit dem Kurnub Aquifer, ihre wasserchemischen Eigenschaften ähneln den B2/A7 Wässern. Gruppe A1B beinhaltet Thermalwässer, die in Kontakt mit B2/A7 stehen. Gruppe A2 besteht aus Brackwasserbrunnen und Quellen des Kurnub-Aquifers und zwei Thermalwässern des B2/A7 Aquifers: Abu-Zyad und Abu-Thableh, die stark durch Kurnub Wasser beeinflußt sind. Gruppe B beinhaltet die Thermalwässer des Zarqa Aquifers. Die Quarz, Quarz-Entgasung und die SO4-H2 Isotopen-Geothermometer (nach Kuskabe, 1975) erwiesen sich als geeignet für die Berechnung der Reservoirtemperaturen. Das K/Mg Geothermometer eignete sich für den B2/A7 Aqufer, aber nicht für den unterliegenden Sandsteinaquifer, da es sehr niedrige Reservoirtemperaturen berechnet. In Abhängigheit der Quarz-Geothermometer wurden die Wasserzirkulationstiefen berechnet. In dem δ34SSulfat, δ18OSulfat Diagramm liegen die Thermalwässer auf einer Mischungslinie zwischen zwei Endgliedern: Den Evaporiten und der Sulfidoxidation. Ein Großteil der Sulfate stammt aus der Lösung von Evaporiten aus der Gesteinsmatrix. Drei Proben waren stärker durch das zweite Englied beeinflusst: Al-Kafreen, Afra/Sawna und Afra/Maqla. Durch den Vergleich der δ13CCO2 Werte mit den δ13CHCO3 Werten wurde sichtbar, daß das System nicht im Gleichgewicht steht, was bedeutet, daß das CO2 andere Quellen hat. Das CO2 ist möglicherweise das Ergebnis von Redoxreaktionen des organischen Kohlenstoffes in der Gesteinsmatrix. Die Thermalwässer beinhalten kein Tritium. Dies bedeutet, daß alle Wasserkomponenten alt sind, Neubildungsprozesse von 1952 stattgefunden haben oder daß der Jungwasseranteil (nach 1952 neugebildet) sehr gering ist. Die 3H/3He Datierungsmethode erwies sich als nicht anwendbar, da zusätzliches Helium (nicht aus dem Zerfall von Tritium) vorhanden war, das in das System eingedrungen ist. Der Heliumüberschuß ist vermutlich der Mantelexhalation zuzuordnen, die an die tiefgreifenden Störungen in dem Dead Sea Transform gebunden ist. Die B2/A7 Thermalwässer liegen auf der “Mediterranean meteoric water line” (MMWL). Dies weist auf ein Entstehen dieser Wässer unter den bestehenden klimatischen Bedingungen Jordaniens und der Umgebung an. Die Thermalwässer des unteren Sandsteinaquifers bilden drei Gruppen im δD-δ18O Diagramm: Die erste Gruppe steht mit der “Global Meteoric Water Line” (GMWL) in Verbindung und zeigt, daß die rein aus dem Sandstein stammenden Thermalwässer nicht durch Evaporation beeinflußt sind. Die zweite Gruppe liegt unterhalb der GMWL und weist auf Evaporationsprozesse während der Niederschlagsbildung hin. Die dritte Gruppe liegt zwischen der GMWL und der MMWL und ist repräsentativ für die Thermalwässer des unteren Aquifers, die in in verschiedenen Anteilen Mischung mit anderen Wässern erfahren haben.

The hydrochemistry and isotopic signatures of the thermal waters along the eastern side of the Dead Sea Transform (DST) in Jordan were investigated. The main objectives of this study were: to determine the origin and mean residence time of the thermal waters along the DST, to determine depth and nature of ground water circulation in the DST and to determine the possible source for the chemical and gaseous constituents along with the other relative parameters. The area of investigation contains geological formations ranging between the Late Proterozoic and recent age. The thermal waters tap two aquifers: the upper cretaceous limestone aquifer (B2/A7) and the lower sandstone aquifer (Zarqa and Kurnub). A new sampling methodology to trap the natural gases H2S, CO2 and CH4 were developed, tested and verified in the field. Two sampling campaigns were carried out to sample the thermal water springs and wells. The samples were collected for the chemical analysis, Rare Earth Elements (REE) and the isotopes: 3H, δ18Owater, δDwater, δ34Ssulfate and δ18Osulfate δ13CCO2, Helium and Neon. The water types of each aquifer were determined by means of chemical criteria and compared with the location and the salinity. A statistical approach using cluster analysis supported by Kruskal-Wallis and Mann-Whitney tests classified the thermal waters into two main groups: A and B. Group A consist of two subgroups: A1 and A2. Group A1 includes the fresh water wells and springs that have the lowest salinity of the studied thermal waters and consist of two subgroups: A1a, which represent the thermal waters that tap the Kurnub aquifer but their chemical characteristics are similar to the B2/A7 waters; group A1b which includes the thermal waters that tap the B2/A7. Group A2 includes the brackish wells and springs that taps the Kurnub aquifer plus two thermal waters from the B2/A7 aquifer: Abu-Zyad and Abu-Thableh, which have a high percent of Kurnub water contribution. Group B includes the thermal waters that tap the Zarqa aquifer. The Quartz, Quartz steam loss and the Isotope SO4-H2 geothermometer (after Kuskabe (1975)) were found to be suitable for calculating the reservoir temperatures. The K/Mg geothermometer was found to be suitable for the B2/A7 aquifer but not for the lower sandstone aquifer because it gives a very low reservoir temperature. Depending on the Quartz geothermometers the water circulation depth were calculated. On the δ34SSulfate, δ18OSulfate diagram, the thermal waters plot on a mixing line between two end members: the evaporites and the oxidation of sulphides. Most of the sulfate is caused by the dissolution of evaporites from the rock matrix. Three samples are more affected with the second end member: Al-Kafreen, Afra/Sawna and Afra/Maqla. By comparing the δ13CCO2 values with the δ13CHCO3 values, the system was found to be not in equilibrium, which means that the CO2 have other sources. The CO2 seems to be derived from oxidation-reduction processes of the organic matter present in the rock matrix. The thermal waters are Tritum free, which indicates, that all those water components are old and the recharge have occurred before 1952 or the share of younger water (recharged after 1952) is very small The 3H/3He age determination method was not suitable to give mean residence time estimation due to additional helium (not a tritium decay product), which has invaded the system. The excess helium is assumed to be coming from the mantle exhalation bounded more or less to the deep faults in the Dead Sea Transform. The B2/A7 thermal waters are associated with the Mediterranean meteoric water line (MMWL). This indicates that those waters occurred under climatic conditions that are dominating Jordan and the surrounding areas those days. The thermal waters of the lower sandstone aquifer are distributed in three groups on the δD-δ18O diagram: the first group is associated with the Global Meteoric Water Line (GMWL), indicating that the pure lower sandstone aquifer thermal waters are not being affected by the evaporation effect; the second group are located below the GMWL, indicating that the lower aquifer waters were affected by evaporation during precipitation; the third group is located between the GMWL and the MMWL representing the lower aquifer thermal waters that are mixed in different ratios with other water sources.

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